Trong đó, Hồ Trị An được xây dựng từ năm 1988 có thể xem là công trình quan trọng trong vùng có nhiệm vụ phát điện, tưới, cấp nước, tăng dòng chảy kiệt và cải thiện môi trường nước trên
Trang 1ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TELEMAC-2D ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG VỠ ĐẬP TRỊ AN LÊN VÙNG HẠ LƯU ĐỒNG NAI – SÀI GÒN
Lê Ngọc Anh (*) Nguyễn Thống (**)
(*)
Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền nam
(**)
Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh
TÓM TẮT
Vùng hạ lưu Đồng Nai – Sài Gòn nơi tập trung
dân cư đông nhất nước, vùng kinh tế năng động,
là cầu nối giữa các vùng kinh tế (Đông Nam Bộ,
ĐBSCL, Tây Nguyên ) Để đảm bảo nguồn
nước cho các mục tiêu phát triển kinh tế xã hội
của vùng thì việc xây dựng các hồ chứa đa mục
tiêu đóng vai trò rất quan trọng Trong đó, Hồ
Trị An được xây dựng từ năm 1988 có thể xem
là công trình quan trọng trong vùng có nhiệm vụ
phát điện, tưới, cấp nước, tăng dòng chảy kiệt
và cải thiện môi trường nước trên sông Đồng
Nai, Trãi qua 25 năm, với tác động của biến
đổi khí hậu ngày càng rõ nét trong tương lai dẫn
đến các loại hình thời tiết cực đoan xuất hiện
ngày càng nhiều, lũ xuất hiện ngày càng nguy
hiểm hơn và đe dọa rất lớn đối với an toàn đập
của Hồ Trị An Tuy nhiên, việc đánh giá các tác
động khi có sự cố vỡ đập xảy ra ảnh hưởng như
thế nào đến hạ lưu chưa được nghiên cứu một
cách đầy đủ Nội dung bài báo giới thiệu kết quả
bước đầu ứng dụng mô hình thủy lực
Telemac-2D để tính toán ảnh hưởng của vỡ đập Trị An
lên vùng hạ lưu Đồng Nai – Sài Gòn Kết quả
cho thấy rằng tác động của vỡ Đập Trị An lên
vùng hạ lưu là rất lớn và có thể xem như thảm
họa Sơ đồ miền tính cũng cho thấy khả năng xử
lý bài toán lớn của phần mềm Telemac-2D rất
tốt so với các phần mềm khác về tốc độ tính
toán
Từ khóa: Telemac-2D, Vỡ Đập Trị An, Ngập
lụt hạ lưu Đồng Nai – Sài Gòn, Lưu vực sông
Đồng Nai – Sài Gòn
Nghiên cứu về sự cố vỡ đập cũng đã được thực
hiện, đặc biệt là các nghiên cứu điển hình trong
thời gian gần đây của các viện như Viện Quy
hoạch thủy lợi, Viện Khoa học thủy lợi, Viện
Khoa học thủy lợi miền Nam thực hiện thông
qua sự trợ giúp của dự án "Tăng cường năng lực
các Viện ngành nước" do DANIDA tài trợ từ năm 2002-2006 Các nghiên cứu này phần lớn ứng dụng các phần mềm do DHI trợ giúp Ở lưu vực hệ thống sông Đồng Nai đã có một số nghiên cứu thực hiện các vấn đề liên quan như nghiên cứu đánh giá vùng ngập lũ hạ lưu trong trình Dầu Tiếng trên sông Sài Gòn Tuy nhiên, các nghiên cứu này xem xét các vấn đề trên bình diện rộng mà không nghiên cứu các công trình riêng biệt, cụ thể là việc đánh giá nhằm giảm thiểu các tác động do vỡ đập gây ra chưa được thực hiện nhiều và/hoặc chưa được công bố rộng rãi Điều này dẫn đến việc ứng dụng nó đối với các nghiên cứu, các quy hoạch còn nhiều hạn chế Để góp phần làm sáng tỏ các tác động
do vỡ đập Trị An có thể gây ra cho vùng hạ lưu Đồng Nai – Sài Gòn, bài báo sẽ đánh giá các tác động về các mặt như: quá trình truyền sóng lũ trên sông, độ sâu ngập, thời gian ngập, vận tốc truyền lũ, Mô hình toán số Telemac-2D dùng
để giải bài toán thủy lực 2 chiều theo phương nằm ngang được lựa chọn sử dụng vì những ưu điểm của nó về khả năng giải các bài toán lớn cũng như tốc độ tính vượt trội của mô hình
II CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mô hình Telemac được bắt đầu phát triển từ năm 1987 do Tập đoàn Điện lực Pháp (EDF) chủ trì cùng với sự tham gia của nhiều tổ chức nghiên cứu trên thế giới dùng để mô phỏng dòng chảy 2D theo phương nằm ngang (trung bình theo phương thẳng đứng) được mô tả bởi
hệ phương trình Saint Venant như sau:
- Phương trình liên tục:
( ) ( ) h
h
t
∂
∂
(1)
- Phương trình động lượng theo phương x:
1
(2)
- Phương trình động lượng theo phương y:
1
(3)
Trang 2Trong đó: h(m) – chiều sâu, u & v(m/s) – thành
phần vận tốc theo phương ngang x & y của vận
tốc U
r
, Sh(m/s) – lưu lượng đơn vị của nguồn,
Z(m) – cao độ mặt thoáng, Sx,y(m/s2) – các
ngoại lực (không kể trọng lực, ví dụ lực
Coriolis, ) tác dụng trên một đơn vị khối lượng
chiếu theo phương ngang x & y, nt(m2/s)- hệ số
khuếch tán Mô hình Telemac-2D được lập trình
có thể lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn
hoặc thể tích hữu hạn Đây là phần mềm được
lập trình theo kỹ thuật song song cho phép tăng
tốc độ tính toán nhiều lần khi chương trình chạy
trên những trung tâm máy tính có nhiều
processor
III ỨNG DỤNG TELEMAC-2D MÔ
PHỎNG DÒNG CHẢY 2D LƯU VỰC
ĐỒNG NAI – SÀI GÒN
III.1 Miền tính
Miền nghiên cứu được giới hạn từ Hồ Trị An
(sông Đồng Nai), Phước Hòa (sông Bé), Dầu
Tiếng (sông Sài Gòn), Bến Đá (Vàm Cỏ Tây),
Mộc Hóa (Vàm Cỏ Đông); phía hạ lưu được lấy
cách xa cửa Soài Rạp 40-50 km Miền tính được
rời rạc hóa thành 414833 phần tử tam giác và
212176 nút, diện tích toàn bộ miền tính là 7223
km2 Diện tích nhỏ nhất của một phần tử 40m2
mô tả lưới 2D trên sông rạch, diện tích lớn nhất
1,5 km2 mô tả các phần tử ngoài biển
Hình 1: Miền tính 2D (414833 phần tử tam giác)
III.2 Điều kiện biên
Miền nghiên cứu được giới hạn với 6 biên ở thượng lưu và 1 biên ở hạ lưu cụ thể như sau:
- Biên Q(t) Phước Hòa
- Biên Z(t) mực nước trong lòng Hồ Trị An và
quá trình mực nước tùy theo lượng nước thoát ra khỏi hồ
- Biên Q(t) sau hồ chứa Dầu Tiếng
- Biên Q(t) Thị Tính
- Biên Q(t) tại trạm Bến Đá
- Biên Z(t) tại trạm Mộc Hoá
- Biên Z(t) ngoài biển nội suy từ 2 trạm Vũng
Tàu và Vàm Kênh
III.3 Hiệu chỉnh mô hình
Nội dung nghiên cứu tập trung đánh giá tác động của vỡ đập Trị An lên vùng hạ lưu Đồng Nai – Sài Gòn, nên quá trình hiệu chỉnh mô hình
sẽ chọn mùa lũ và có số liệu quan trắc đầy đủ Năm 2007 (từ 19/9/2007 – 29/9/2007 trong 10 ngày) được chọn cho việc hiệu chỉnh mô hình, đây là năm có đỉnh lũ và đỉnh triều khá cao, số liệu quan trắc tương đối đầy đủ, địa hình gần tương đồng với năm có đo đạc năm 2011 Các trạm đo mực nước Nhà Bè, Phú An, Thủ Dầu Một, Biên Hoà, Bến Lức, Tân An trong cùng chu kỳ mô phỏng sẽ được sử dụng như là số liệu quan trắc để so sánh với kết quả tính từ mô hình Các đồ thị sau trình bày số liệu quan trắc
và kết quả tính từ mô hình tại các trạm đo nói trên
Hình 2: Mực nước tại trạm Biên Hòa
Hình 3: Mực nước tại trạm Nhà Bè
-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240
Z(m)
T (h)
Mô phỏng Thực đo
-2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240
Z(m)
T (h)
Mô phỏng Thực đo
Trang 3Hình 4: M'c nước tại trạm Thủ Dầu Một
Hình 5: Mực nước tại trạm Phú An
Hình 6: Mực nước tại trạm Bến Lức
Hình 7: Mực nước tại trạm Tân An
So sánh kết quả cho bởi mô hình và giá trị quan
trắc nêu trên cho thấy kết quả tính từ mô hình có
khả năng khá tốt mô phỏng chế độ dòng chảy
của khu vực trong chu kỳ tính toán xem xét Kết
quả trạm Bến Lức, Tân An có sự chênh lệch
đáng kể về đỉnh, đáy triều cũng như pha triều
Kết quả này được đánh giá là điều kiện địa hình lòng sông biến động khá nhiều do hoạt động con người qua thời gian, trong khi số liệu đưa vào
mô hình được cập nhật năm 2011 – 2012
IV NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA VỠ ĐẬP TRỊ AN LÊN VÙNG HẠ LƯU ĐỒNG NAI – SÀI GÒN
Đập Trị An được xây dựng vào năm 1988 với các thông số cơ bản sau: Flv = 14800 km2, MNDGC = +63,9m, MNDBT = +62,0m, MNC
= +50,0m, VMNDGC = 3350,8 triệu m3, VMNDBT = 2765,0 triệu m3, VMNC = 218,0 triệu m3, Zđỉnh đập
= +65,0m, Btràn = 120m, Zngưỡn = +46m, Qtràn max
= 18700,0 m3/s Bài toán vỡ đập sẽ mô phỏng cho trường hợp nguy hiểm nhất ứng với trường hợp mực nước trong hồ trước khi vỡ đập ở MNDGC = +63,9m, bề rộng vỡ 400m, và vỡ đến cao trình +40,0m
Để đánh giá tác động của vỡ đập Trị An đến vùng hạ lưu, bài báo sẽ tập trung xây dựng kịch
bản vỡ đập nguy hiểm nhất: Vỡ đập khi lũ thượng nguồn đã về đến sông Đồng Nai, thời điểm vỡ đập T = 86400s (1 ngày sau)
Hình 8: Vị trí vỡ đập Trị An
Hình 9: Vị trí vỡ đập Trị An mô phỏng bằng lưới 2D
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240
Z(m)
T (h)
Mô phỏng Thực đo
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240
Z(m)
T (h)
Mô phỏng Thực đo
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240
Z(m)
T (h)
Mô phỏng Th c " o
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240
Z(m)
T (h)
Trang 41 Sóng lũ khi vỡ đập
Hình 10: Giao động mực nước hồ khi vỡ đập
Hình 11: Giao động mực nước tại một số vị trí sau
đập Trị An khi vỡ đập – KB1 (K ị trí cách
đập Trị An 500m về phía hạ lưu)
Khi vỡ đập, tại một số vị trí sau đập, mực nước
có dạng sóng giao động tắt dần Giao động sóng
lũ thể hiện rõ nhất tại vị trí sát chân đập, mực
nước cao nhất đạt 32,34m Trên đồ thị cho thấy
ràng ảnh hưởng của sóng lũ sẽ giảm dần tại các
vị trí cách xa đập, tại vị trí cách đập 5000m giao
động mực nước có dạng đường cong trơn
2 Quá trình truyền lũ trên sông
Quá trình truyền lũ trên sông khi bắt đầu vỡ đập
(sau 24h) được thể hiện theo hình bên dưới
45.0
47.5
50.0
52.5
55.0
57.5
60.0
62.5
65.0
67.5
Z(m)
T (s)
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Z(m)
T (s)
Trang 5Hình 12: Quá trình truyền lũ sau 96h (4 ngày)
Hình 13: Trường vận tốc theo thời gian
3 Mực nước lớn nhất tại một số vị trí trên dòng chính sông Đồng Nai, Sài Gòn
Bảng 1: Mực nước lớn nhất tại một số vị trí trên dòng chính sông Đồng Nai, Sài Gòn
Đvt: m
TRÊN SÔNG ĐỒNG NAI
TT Vi trí MAX MIN TB
1 Sau Đập Tri An 32,302 3,131 15,628
2 Phà Hiếu Liêm 25,246 1,084 15,501
3 Cầu Thủ Biên 13,734 0,407 8,684
4 Cầu Hóa An 7,260 -0,935 3,943
Trang 67 Cầu Đồng Nai 5,394 -1,007 2,897
8 Phà Cát Lái 2,442 -1,170 1,432
9 Ngã Ba Đèn Đỏ 2,321 -1,159 1,374
11 HL Vàm Cỏ - Đnai 1,454 -1,365 0,601
12 Cửa Xoài Rạp 1,647 -1,826 0,328
TRÊN SÔNG SÀI GÒN
TT Vi trí MAX MIN TB
15 Cầu Phú Long 2,690 -0,047 1,896
17 Cầu Bình Phước 2,659 -0,116 1,852
19 Cầu Sài Gòn 2,527 -1,021 1,633
20 Cầu Thủ Thiêm 2,488 -0,849 1,587
Hình 14: Giao động mực nước tại một số vị trí cách
xa đập trên sông Đồng Nai
4 Lưu tốc lớn nhất tại một số vị trí trên sông
Đồng Nai, Sài Gòn
Bảng 2: Lưu tốc lớn nhất tại một số vị trí
Đvt: m/s
5 Độ sâu ngập và thời gian ngập tại một
số vị trí trên bờ có độ ngập sâu
Hình 15: Mô tả 12 vị trí ngập trên bờ
Hình 16: Diễn biến độ sâu ngập tại 12 vị trí trên bờ
(VT1: đường quá trình ngập tại vị trí 1-xem hình 14)
-5.0
-2.5
0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
15.0
17.5
20.0
22.5
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000
Z(m)
T (s)
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144
Z(m)
T (s)
Trang 7BEng 3: Th;i gian ngập theo từng cấp độ sâu tại 12
vị trí trên bờ (12 vị trí xem hình 14)
Đvt: giờ
Vị trí Max TB >15m >12m >10m >8m
VT1 15.755 7.417 7.7 23.3 30.8 37.0
VT2 17.281 9.780 16.3 30.6 39.9 53.0
VT3 10.541 2.864 0.0 0.0 6.0 17.0
VT4 8.248 4.200 0.0 0.0 0.0 6.1
VT5 7.554 4.224 0.0 0.0 0.0 0.0
VT6 6.427 3.346 0.0 0.0 0.0 0.0
VT7 5.294 2.152 0.0 0.0 0.0 0.0
VT8 7.005 3.827 0.0 0.0 0.0 0.0
VT9 5.015 1.932 0.0 0.0 0.0 0.0
VT10 3.252 1.544 0.0 0.0 0.0 0.0
VT11 2.690 1.330 0.0 0.0 0.0 0.0
VT12 2.444 1.243 0.0 0.0 0.0 0.0
Vị trí >5m >4m >3m >2m >1m >0,5m
VT1 65.1 79.7 92.2 126.3 130.3 131.1 VT2 97.0 122.6 123.2 123.7 124.1 124.3 VT3 28.4 31.8 35.8 41.1 48.0 52.5 VT4 34.7 44.5 59.3 59.3 59.3 59.3 VT5 34.7 45.6 62.3 79.9 94.9 124.4 VT6 24.6 34.9 48.6 73.3 88.4 98.7 VT7 10.0 23.3 33.5 45.3 61.8 75.3 VT8 31.6 43.2 59.5 80.7 114.6 115.0 VT9 2.3 20.7 30.8 30.8 30.8 30.8 VT10 0.0 0.0 14.3 36.3 63.8 80.7 VT11 0.0 0.0 0.0 25.2 63.2 97.2 VT12 0.0 0.0 0.0 21.3 61.8 97.3
6 Thời gian truyền lũ trên sông Đồng Nai sau đập Trị An khi vỡ đập
Bảng 4: Thời gian truyền lũ trên sông Đồng Nai từ Đập Trị An ra đến cửa Soài Rạp
(km)
Zmax (m)
T
1 Phà Hiếu Liêm 2,0 25,246 2,5 Ảnh hưởng lũ
2 Cầu Thủ Biên 17,0 13,734 7,9 Ảnh hưởng lũ
3 Cầu Hóa An 52,0 7,260 16,0 Ảnh hưởng lũ
4 Biên Hòa 53,8 7,117 16,3 Ảnh hưởng lũ
5 Cầu Ghềnh 54,5 6,873 16,5 Ảnh hưởng lũ
6 Cầu Đồng Nai 58,6 5,394 17,7 Ảnh hưởng lũ
7 Phà Cát Lái 89,4 2,442 29,4 Ảnh hưởng lũ
8 Ngã Ba Đèn Đỏ 92,9 2,321 29,6 Ảnh hưởng lũ
9 Nhà Bè 104,7 1,971 29,3 Ảnh hưởng lũ
10 HL Vàm Cỏ - Nhà Bè 132,3 1,454 Ảnh hưởng triều
11 Cửa Soài Rạp 147,1 1,647 Ảnh hưởng triều
Trang 8Hình 17: Đồ thị mô tả mực nước max và thời gian đạt đỉnh tại một số vị trí trên sông Đồng Nai
Hình 18: Độ sâu ngập lớn nhất khi vỡ đập Hình 19: Lưu tốc lớn nhất khi vỡ đập
25.25
13.73
7.26 7.12 6.87 5.39
2.44 2.32
1.97
1.45 1.65 Phà Hi u Liêm
2.5(h)
C $ u Th & Biên 7.9(h)
C $ u Hóa An 16.0(h)
Biên Hòa 16.3(h)
C $ u Ghềnh 16.5(h)
Cầu Đồng Nai 17.7(h)
Phà Cát Lái 29.4 (h)
Ngã Ba Đèn Đỏ 29.6 (h) Nhà Bè 29.3(h)
0.0 3.0 6.0 9.0 12.0 15.0 18.0 21.0 24.0 27.0 30.0 33.0
0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
15.0
17.5
20.0
22.5
25.0
27.5
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 140.0 150.0
T(h) Z(m)
L (km)
Zmax (m) T(h)
Trang 9V KẾT LUẬN
Vỡ đập Trị An có thể xem là một thảm họa vô
cùng thảm khốc và tác hại của nó đối với vùng
hạ lưu Đồng Nai – Sài Gòn là vô cùng to lớn
Vận tốc lớn nhất khi vỡ đập có thể lên đến
24,79 m/s (tại vị trí chân đập), tại cầu Đồng Nai
lên đến đạt 4,69 m/s Mực nước lớn nhất tại phà
Hiếu Liên có thể lên đến 25,2m và tại Biên Hòa
đạt 7,1m Thời gian truyền lũ trên sông Đồng
Nai tính từ lúc bắt đầu vỡ đập ra đến Ngã Ba
Đèn Đỏ 29,6 giờ và về đến Biên Hòa 16,3 giờ
Kết quả tính toán cũng cho một số nhận định
sau:
- Từ Đập Trị An đến vị trí cách đập 70km là
đoạn chịu ảnh trực tiếp của sóng lũ và biên độ
sóng giảm dần khi càng xa đập Ở vị trí gần
đập mực nước có thể dềnh lên đến cao trình
+32m và ở vị trí 70km thì mực nước chỉ dâng
đến cao trình +3.5 Từ chân đập đên vị trí cách
đập 70km đường mực nước có độ dốc lớn, lưu
tốc dòng chảy rất lớn
- Từ vị trí 70km đến 90km cách đập Trị An có
thể gọi là vùng chuyển tiếp từ ảnh hưởng của
sóng lũ sang ảnh hưởng của triều Đường mực
nước có độ dốc giảm đi đáng kể và thoải dần,
mực nước có xu hướng giảm dần từ cao trình +3,5m đến +1,8m
- Từ vị trí 90km đến cửa Soài Rạp: đây là vùng
chịu ảnh hưởng hoàn toàn của triều, sóng lũ không còn tác động đến khu vực này Mực nước tại vị trí này phụ thuộc vào mực nước triều
Hình 20: Đồ thị phân vùng ảnh hưởng giữa lũ và
triều
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Jean Michel Hervouet (2007)
Hydrodynamics of Free Surface Flows
modelling with the finite element method
WILEY
[2] Pierre Lang, Ingerop, 2D hydrodynamics
software Version 6.0 User Manual (2010) EDF-R&D
[3] Nguyễn Thống (2006) Bài giảng Thủy Năng–Thủy Điện Trường Đại Học Bách Khoa
Thành phố Hồ Chí Minh
[4] Huỳnh Thanh Sơn (2008) Bài giảng môn học Thủy lực sông ngòi Trường Đại học Bách
Khoa TP Hồ Chí Minh
-5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000
Z(m)
L (m)
của triều Đoạn chuy3n tiếp từ ảnh hưởng của l8
sang ảnh hưởng của triều
Trang 10PLICATION OF TELEMAC-2D HYDRAULIC MODEL FOR THE IMPACT ASSESSMENTS OF TRI AN DAMBREAK ON THE DONG NAI-SAIGON RIVER
LOWLANDS
Le Ngoc Anh Nguyen Thong
ABSTRACT
The Dong Nai - Sai Gon river lowlands have the most densely population of Vietnam with a dynamic economy, and considered as a bridge connecting economic regions (Southeast area, Mekong Delta, Central Highlands etc) In order to ensure sufficiently water supply for the economic development objectives of the society, the construction of multi-purpose reservoirs are very important In which, the Tri An reservoir was built up in 1988 and being able to be considered
as one of the momentous works in the river basin since the system was responsible for power generation, irrigation, water supply, increasing low-flow as well as water quality improvement for the environment on the Dong Nai river Over a period of 25 years, with the stronger impact of climate change in the future leading the continuous appearance of extreme weather, natural disaster such as floods are increasingly more dangerous and threatening the dam safety of Tri An However, the assessment of how the impacts of incidents such as dam break on downstream areas has not been fully studied The paper aims to introduce the application initial results of the TELEMAC-2D hydraulic model to estimate the effects of dam failure of Tri An to downstream of Dong Nai - Sai Gon river basin The results show that the impacts of Tri An dam break on the downstream is extremely severely and can be viewed as a disaster In addition, the simulation domain shows that the TELEMAC-2D hydraulic model is very high-quality software compared to others in terms of computation speed
Key words: Telemac-2D, Dam break, Dong Nai-Sai Gon river lowlands, Dong Nai-Sai Gon river
basin